Wikipedia - Cykl

Wikipedia - kopia Wikipedii, wolnej encyklopedii

Cykl protonowy ppI

Schemat cyklu protonowego

Cykl protonowy (cykl proton-proton, łańcuch pp) - cykl reakcji jądrowych, w których z czterech jąder wodoru powstaje stabilne jądro helu. Ponadto podczas przemian uwalniana jest energia jądrowa, która jest głównych źródłem energii Słońca i innych niezbyt masywnych gwiazd. Cykl pp zachodzi w jądrach gwiazd o temperaturze od kilku do kilkunastu milionów kelwinów. Został zaproponowany przez Hansa Bethe i Charlesa Critchfielda.

Cykl rozpoczyna fuzja dwóch protonów, która jest możliwa, gdy mają one dostatecznie dużą energię, by pokonać barierę kulombowską. Zbliżenie protonów jest możliwe także dzięki znanemu z mechaniki kwantowej efektowi tunelowemu, którego prawdopodobieństwo zajścia zależy od energii kinetycznej protonów i rośnie wraz z nią. Tempo przebiegu tej reakcji w temperaturze Słońca jest rzędu 10⁹ lat. Z powodu powolności tej reakcji Słońce nadal świeci - w przeciwnym wypadku reakcje przebiegały by na tyle szybko, że wodór zostałby w gwieździe wyczerpany.

Do wytworzenia jąder helu z czterech jąder wodoru może dojść w wyniku różnych reakcji jądrowych. Stosuje się podział na trzy zazębiające się cykle: ppI, ppII i ppIII.

[edytuj] Cykl ppI

Pierwsze zachodzące reakcje składają się na tzw cykl ppI. W wyniku fuzji dwóch jąder wodoru ¹H (dwóch protonów) powstaje jądro deuteru ²D, pozyton i neutrino elektronowe.

${}^1\hbox{H}\;+{}^1\hbox{H}\to {}^2\hbox{D}+e^{+}+{\nu}_e+1.44\;MeV$

Pozyton natychmiast anihiluje z elektronem i zostają wypromieniowane dwa kwanty promieniowania gamma. Następnie jądro deuteru ²D łączy się z jądrem wodorem ¹H tworząc jądro helu ³He. Dodatkowo zostaje wypromieniowany kwant promieniowania gamma.

${}^2\hbox{D}\;+{}^1\hbox{H}\to {}^3\hbox{He}+\gamma+5,49\;MeV$

Cykl ppI kończy reakcja fuzji dwóch jąder helu ³He w efekcie której powstają jądro helu ⁴He i dwa jądra wodoru ¹H, Zachodzi on głównie w temperaturze od 10 do 14 MK. Poniżej temperatury 10 MK produkowane jest niewiele jąder helu.

${}^3\hbox{He}\;+{}^3\hbox{He}\to {}^4\hbox{He}+{}^1\hbox{H}\;+{}^1\hbox{H}+12,85\;MeV$

[edytuj] Cykl ppII

W temperaturach od 14 do 23 MK dominuje cykl ppII. Po dwóch pierwszych reakcjach cyklu ppI dochodzi do syntezy helu ³He z helem ⁴He. Wytworzone zostaje jądro berylu ⁷Be i kwant promieniowania gamma.

${}^3\hbox{He}\;+{}^4\hbox{He}\to {}^7\hbox{Be}+\gamma+1,586\;MeV$

Nietrwałe jądro berylu ⁷Be szybko wychwytuje elektron i tworzy się jądro litu ⁷Li i neutrino elektronowe.

${}^7\hbox{Be}\;+e\to {}^7\hbox{Li}+\nu+0,861\;MeV$

Następnie w wyniku reakcji litu ⁷Li i jądra wodoru ¹H powstają dwa jądra helu ⁴He.

${}^7\hbox{Li}\;+{}^1\hbox{H}\to {}^4\hbox{He}+{}^4\hbox{He}+17,347\;MeV$

[edytuj] Cykl ppIII

W temeraturze powyżej 23 MK po pierwszej reakcji cyklu ppII może zamiast reakcji wychwytu elektronu przez jądro berylu zajść fuzja wodoru i helu w wyniku której powstaje jądro boru ⁸B i kwant promieniowania gamma.

${}^{7}\hbox{B}\;+{}^1\hbox{H}\to\;^{8}_{4}\hbox{B}\;+\gamma+0,135\;MeV$

Jądro boru ⁸B szybko wychwytuje elektron i rozpada się na jądro berylu ⁸Be, pozyton i neutrino elektronowe. Wzbudzone jądro berylu ⁸Be rozpada się na dwa jądra helu ⁴He emitując energię 18,07 MeV.

${}^{8}\hbox{B}\;\to\;^{8}\hbox{Be}\;+\;{e^+}+\;\nu_e$

${}^{8}\hbox{Be}\;\to\;{}^4\hbox{He}+{}^4\hbox{He}$

Cykl ppIII nie jest istotnym źródłem energii w Słońcu, ale generuje on wysokoenergetyczne neutrina (do 14.06 MeV), z którymi związany był problem neutrin słonecznych.

[edytuj] Energia

W wyniku każdego z cyklów ppI, ppII, ppIII z czterech jąder wodoru powstaje jedno jądro helu i dwa neutrina. Energia uwalniana w tych reakcjach wynosi 26,74 MeV, ale neutrina unoszą jej część. W cyklu ppI neutrina unoszą 1,9% , w cyklu ppII 3,9% i w cyklu ppIII - 27,3% energii całkowitej.

[edytuj] Bibliografia

M. Kubiak Gwiazdy i materia międzygwiazdowa, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1994 r.
E. Böhm-Vitense Stellar astrophysics: stellar structure and evolution, Cambridge University Press, 1992

[edytuj] Zobacz też:

Cykl węglowo-azotowo-tlenowy.